传统高强度螺栓咬合型连接的破坏机理与抗拉承载力

摘要：为研究支吊架高强螺栓咬合式连接的破坏机理及抗拉承载力，开展了单螺栓及典型连接的抗拉试验与有限元分析。试验试件由6家公司提供，共72个，考虑了槽钢、高强螺栓规格等参数的影响。试验结果表明：在螺栓拉力作用下，槽钢两侧卷边绕腹板顶边转动并形成两条塑性铰线；螺栓安装扭矩对抗拉承载力无影响，角钢连接件有明显的撬力效应。有限元分析表明：塑性铰长度仅与折边尺寸有关，与其他因素无关；角钢连接件的撬力可以约束折边竖向位移，提高折边屈服荷载。基于试验与有限元分析结果，给出了单螺栓连接抗拉承载力设计值的计算方法。

0 前言

近年来，随着预制支吊架的发展[1-3]，出现了高强螺栓咬合式连接。如图1所示，连接副由螺栓、螺母、弹簧或塑料翼组成。螺母呈长条形，两边带齿，槽钢二次卷边，两边垂直卷边带挤压齿，齿形与螺母齿相匹配。当弹簧或塑料翼压缩时，螺母与槽钢分离，可任意调整螺母的位置；当松开弹簧或塑料翼时，螺母齿与槽钢齿啮合，螺母不会移动或转动，便于定位和拧紧螺栓。

对于图1(a)所示的受拉螺栓，连接件将拉力N传递给螺栓杆件，再通过螺母将N传递给槽钢法兰。螺栓在受拉时合理的失效模式有两种，一是螺栓杆件断裂，二是槽钢卷曲。螺栓杆件的受拉承载力可按《钢结构高强度螺栓连接技术规程》JGJ 82-2011[4]计算确定，但对于槽钢卷曲承载力尚无计算方法。

传统高强螺栓的抗拉研究资料较多，国家标准[4-7]也有详细规定，但尚无咬合式连接的抗拉研究资料。郭晓农、张岩[8-9]提出了一种新型的咬合式连接，其连接副仍为传统形式，板件接触面有咬合槽，与图1(b)不同。罗干[10]对支吊架连接构件进行了试验研究与数值分析，发现在剪力作用下，螺母与槽钢易发生相对滑移，牙齿发生剪断。文中未提及螺栓的抗拉性能。

由于研究资料有限，目前只能依据《预制支吊架通用技术要求》GB/T 38053-2019[11]中推荐的试验方法确定抗拉承载力。基于上述情况，本文对单个螺栓及典型连接件进行了试验研究和有限元分析，旨在提供抗拉承载力的计算方法，也为《预制支吊架体系应用技术规范》T/CECS 731-2020[12]的编制提供了依据。

1 单螺栓连接拉力试验

1.1 试样设计

支吊架所用槽钢截面如图2(a)所示，截面高度h和壁厚t为变量[11]，其余尺寸均为定值。截面宽度b=41.3mm，平卷边宽度b1=9.5mm，竖卷边高度h1=7.5mm。槽钢规格用C和b×h×t表示，b和h取整数。本文选取最常用的三种槽钢：C41×41×2.0、C41×41×2.5、C41×62×2.5，材质均为Q235钢。

高强度螺栓为传统的大六角头形状，但螺母有所不同，见图1(b)和图2(b)，螺母长度ln大于槽钢开口宽度b1，安装时需先沿缝放入螺母，然后时针旋转90°才能到位。高强度螺栓可为8.8级或10.9级，本文选取8.8级。T/CECS 731-2020 [12]推荐的规格为M10和M12，GB/T 38053-2019标准[11]推荐的安装扭矩分别为19N·m和50N·m。

综合考虑槽钢及螺栓规格后设计了A系列试件，为了反映国内目前情况，试件由A、B、C、D、E、J六家公司提供，其中一家公司提供了数量较多的试件，编号相同，每3个试件(称为一组)，A系列共20组，66个试件，见表1。

1.2 测量强度和尺寸

槽钢卷边尺寸较小，不便截取材料试验试样，卷边和压齿两道工序也使钢材硬化程度较高，采用线切割法从槽钢腹板中部纵向取样，采用SANS试验机进行单向静态拉伸试验[13]。槽钢实测强度如表2所示，屈服强度fy普遍高于235MPa，但从抗拉强度fu来看，仍属于Q235钢。高fy是冷弯型钢中普遍存在的现象[14]，表2中半数槽钢强屈比低于1.25，也是此种原因。表2还给出了槽钢壁厚t、扁平卷边宽度b1的实际测量值。

螺母尺寸符号如图2(b)所示，各公司实测尺寸如表3所示，略有差异，M12螺母宽度比M10平均大1mm，由于螺母尺寸较小，无法取样，也没有进行材料性能测试。

1.3 试件尺寸及加载装置

试件尺寸如图3所示。试验用高强螺栓位于槽钢中部，槽钢背面用两根螺栓与T型加载构件固定。为便于试验机夹紧，试验用高强螺栓均更换为同等级、同直径的螺钉，螺母及安装扭矩保持不变。加载设备为SANS试验机，加载过程为位移控制，加载速率为5mm/min。

1.4 A系列试件试验结果

由于槽钢两侧的扁平卷边均为加劲悬臂板，抗弯能力有限，一旦施加载荷，螺母附近的扁平卷边将绕腹板顶脊旋转，连接件将脱离槽钢。见图4。卸载。之后，垂直卷边变为水平。

试件失效模式有两种，第一种为槽钢卷边破坏，包括腹板顶脊附近平卷边纵向撕裂，见图5（a），以及沿齿根方向的竖卷边剪切破坏，见图5（b）可见破坏前腹板顶脊附近已形成塑性铰线。第二种失效模式为螺母弯曲破坏，见图5（c）。试件数量只有4组，应该是螺母厚度不足或材质不合格，这4组试件数据无效。

A系列16组有效试件荷载-位移曲线如图6所示，均出现了明显的屈服截面，主要由塑性铰线引起，但后期强化程度不一，与材料性质有关。各组试件实测荷载值（平均值）见表4，差异较大。

8.8级M10、M12螺栓杆的理论极限抗拉承载力分别为46.4kN、67.2kN，远高于表4试件实测极限荷载值，这也是螺栓杆未发生破坏的原因。

为研究安装扭矩对抗拉承载力的影响，采用C公司A3试件进行对比试验，螺栓采用普通扳手紧固，实测极限荷载和屈服荷载分别为20.40kN和15.24kN，与表4相符，20.89kN和15.04kN的偏差极小，说明安装扭矩对承载力无影响，这主要是因为一旦螺栓被拉伸，法兰就会变形、转动（图4），导致预紧力丧失。

2 典型连接拉伸试验

2.1 试件设计及加载装置

试件为B系列，见表5，共6件，均由C公司提供，与C公司A系列试件为同一批次。试件为对称门式支架，尺寸见图7。为防止梁先损坏或变形过大，采用背对背双槽钢，在加载点设置垫块。梁柱连接处设拉剪螺栓1只，也是工程中典型的连接形式。连接件为冷弯等肢角钢，肢长60mm，壁厚6mm，纵向长度40mm，材料为Q235钢。

2.2 测试结果

加载时，角钢连接件首先发生变形，如图8所示，梁卷曲也发生变形；随着荷载的增加，柱上的剪切螺栓因齿剪破坏而发生竖向滑移，试验终止。梁虽然没有像A系列试件那样发生卷曲撕裂或剪切破坏，但也出现了塑性变形。由于角钢变形较大，撬力明显，角钢肢尖在梁上产生了明显的压痕。虽然撬力使螺栓杆的拉力增大，但是肢尖可以阻止卷边发生过大的竖向位移，并起到对卷边的弹性竖向约束作用，从而防止卷边过早形成塑性铰线。

试件荷载-位移曲线如图9所示，图中纵坐标为单侧连接所承受的拉力N。试件B1、B2的槽钢及螺栓分别与C企业的A2、A4相同，通过对比可以看出屈服平台不明显且变形增大，极限荷载减小。前者是因为变形主要来源于角钢连接件，后者是因为柱上的剪力连接先损坏，不能继续受力。

3 有限元仿真分析

3.1单螺栓连接拉伸分析

为进一步研究破坏机理、确定塑性铰长度，采用ABQUS软件对C公司A4试件进行模拟分析，单元类型为C3D8，镀锌面抗滑移系数[15]取0.3，应力-应变关系取理想弹塑性，屈服强度取实测值，弹性模量和泊松比取名义值。有限元计算的屈服荷载为13.98kN，较试验值14.43kN降低了3%，验证了模型的准确性。为便于观察主应力分布情况，沿槽钢纵向将试件切成两段，如图10(a)所示。底板两紧固螺栓之间的腹板与其顶边处主应力最大。 线处塑料铰线的长度可取固定螺栓间的距离，为100mm。

为了研究固定螺栓间距的影响，将固定螺栓间距由100mm增大到200mm，其它参数保持不变，得到的主应力分布如图10（b）所示，与图10（b）相比，腹板顶部脊部主应力变化很小。为了充分说明问题，对A公司和C公司的A3、A5试件进行了模拟分析，如图11所示。上述结论仍然适用，说明塑性铰长度只与槽钢卷边尺寸即边界条件有关，与槽钢规格、壁厚、螺栓直径、生产公司等因素都无关。由于支吊架所用槽钢卷边尺寸为定值，因此塑性铰线长度可取为100mm。

3.2 典型连接拉伸分析

由于典型连接拉力试验中试件均为柱子剪力连接先失效，未能全面反映受拉情况，需进行补充有限元分析。研究对象为C公司B2试件，为防止剪力连接先失效，角钢连接件与柱子在螺栓处直接粘结在一起。

有限元分析结果如图12所示。由于C企业试件A4和B2的槽钢和螺栓相同，因此A4的有限元曲线也如图12（a）所示，与A4相比，B2的刚度有所下降，但屈服荷载略有增加，前者是由于连接件的变形较大，后者是由于连接件的撬力限制了翼缘的竖向位移。从图12（c）可以看出，角钢水平肢下部卷曲的槽钢已发生屈服，但变形较小，角钢在螺栓孔处及肢后部已形成两条塑性铰线，若增加角钢的壁厚，承载力也会增加。上述情况说明，螺栓用于典型连接时其受拉承载力不会低于单螺栓连接受拉承载力，承载力可按A系列结论确定。

4 理论模型及抗拉承载力

由前期试验及有限元分析可知，咬合式连接在受拉状态下，其极限承载能力状态为槽钢两腹板顶棱附近形成塑性铰线，塑性铰线对应的弯矩Mp为：

式中：l为塑性铰线长度；t为槽钢壁厚。

某螺栓产生两条塑性铰线，螺母在两条塑性铰线上的力臂分别为bt1，见图2，可求得拉伸屈服荷载Ny：

将l=100mm及相关参数代入式（2）中得到的屈服荷载理论值如表4所示，与实际测量值相比，最大正偏差为9.1%，最大负偏差为18.1%，平均偏差为-3.1%，精度较高。

工程设计时，为防止变形过大，不允许脊部卷曲形成塑性铰。对于矩形截面，塑性发展系数[16]可取1.2，对应的弹塑性弯矩设计值M为：

式中：f为槽钢抗拉强度设计值。

单螺栓连接抗拉承载力设计值btN为：

若槽钢尺寸及强度设计值按规范中推荐值取值，则利用上述公式得到的单个螺栓连接抗拉承载力设计值如表6所示，前两行数值约为实测屈服荷载值的1/2，从工程结构的可靠性来看，在合理范围内。表6中的数值采用自T/CECS731-2020规定[12]，略作修改。

由于支吊架所用槽钢尺寸较小，T/CECS 731-2020规程推荐用于卡入式连接的高强度螺栓仅为8.8级M10和M12，由JGJ 82-2011规程可知，这两个螺栓的抗拉承载力设计值分别为23.4kN和33.7kN，均大于表6中的数值，且不会发生螺栓杆断裂的情况。

5 结论

通过对6家公司提供的72个试件进行拉伸试验和有限元分析，可以得出以下结论：

1）螺母的厚度、材质要与螺栓匹配，否则易弯曲、损坏；螺栓的安装扭矩对抗拉承载力无影响；

2）当高强度螺栓等级不低于8.8级、规格不小于M10时，连接破坏模式为槽钢腹板顶边形成塑性铰线，塑性铰线的长度只与卷边大小有关；连接件撬力可约束平卷边的位移，提高屈服荷载；

3)单个螺栓连接的抗拉承载力设计值可按公式（4）计算，当螺栓等级及规格符合要求时，也可直接按表6进行校核。

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参考：

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